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面向微网的电池储能变换器若干关键技术研究

高宁  
【摘要】:以风能、太阳能为代表的可再生能源是解决世界能源问题的有效手段之一,但是其发电功率的波动性与间歇性对大规模并网带来挑战,而含储能的微电网可以应对上述挑战。电池储能系统具有高能量密度和灵活、方便的特点,在微网和分布式发电中得到广泛应用,而电池储能变换器是电池储能系统中的核心部件,对储能系统性能起决定作用。本文将电池储能变换器作为研究对象,针对变换器功率的频繁波动、多工况切换、接入弱电网及高效率和高可靠性的需求,展开系统的研究工作。主要包括:1.研究了储能变换器中的IGBT驱动电路,给出一种可适应功率和电压大范围波动的数字驱动方案。数字驱动以FPGA为核心,可对IGBT的开关动态过程进行优化,从而改善变换器的电磁兼容性能,进而提升整机可靠性。提出一种改进型有源钳位技术,以缓解关断过程中的电压尖峰,同时可灵活调整触发阈值,避免误动作。设计并制作了驱动电路,基于IGBT测试平台对其驱动效果进行实验测试。2.针对三电平NPC拓扑的储能变换器,提出两种新型调制算法,分别适用于三相三线制和三相四线制储能变换器,旨在减小算法延时,消除死区时间,提升变换器直流母线电压利用率,减少开关动作次数,从而提升变换器的可靠性和效率。对这些算法进行了仿真和实验验证,所得结果可证实其可行性。3.分析了双级式储能变换器的系统构成和工作原理,并对多种隔离型前级直流变换器拓扑进行比较。提出一种基于模式切换的双移相桥电路优化调制方法,可减小功率环流并实现部分开关管的零电流软开关。在此基础上,提出一种双级式储能变换器直流母线电压优化控制算法,以效率最优为目标对母线电压进行选取,使之运行于效率最优点,可进一步提升整机效率。搭建测试平台并分别给出双移相桥电路的实测效率,以及双级式储能变换器的整机实测效率。4.针对储能系统并弱网时的稳定问题,建立采用LCL滤波器的储能微源的阻抗模型。根据对应的稳定性判据可判定,接入弱电网后,储能微源在放电时存在失稳可能。提出一种引入虚拟电阻的新型控制算法,可改善变换器在弱电网下的运行特性。设计搭建实验样机并进行测试,取得了良好的控制效果。5.研究以储能作为主电源的微电网,给出一种改进型的储能变换器虚拟同步控制策略,可模拟电力系统中大型同步发电机的运行,为微网提供柔性的电压和频率支撑,同时解决了虚拟同步控制下变换器并强网时的功率波动和电流谐波问题,并可实现并离网的无缝切换。设计并搭建实验平台进行测试,取得了较好的控制效果。


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